(这条文章已经被阅读了 51 次) 时间：2001-04-09 10:56:20 来源：沈力钧 (沈小鱼) 原创-IT
中国.net
飞越大气时速
本报记者 沈力钧
“你注意到了吗？五十周年国庆阅兵，江总书记走上主席台的第一个动作是抬头看天。当时天还阴着呢。”
“真神了，早上5：00还下着雨，说晴就晴了。有人问我们，是不是用了人工消雨。怎么会呢？雨是自己停的。”
“江总书记打了两次电话，30日下午一次，晚上一次，问天气到底怎么样。”
中国气象局（以下简称气象局）副局长李黄一边在笔记本电脑上搜索神威机的图片，一边对记者说话：“我们所有的人都在忙碌，所有的机器都在高速运转，我三天三夜没有好好睡觉。当时用于计算的是神威机，计算、分析、处理完了以后综合成气象预报信息，结果显示：10月1日2：00到2：45下雨，3：00停，5：00再下一次雨，8：00云开始散，上午10：00出太阳，每一步都十分仔细。我们预报得相当准确。”
当时，气象局给中央的汇报是一小时一次，要求务必详尽精确；对外预报只有两句话：9月30日有雨，10月1日阴转晴。
李黄说，专门针对国庆阅兵的气象保障工作在年初就开始了，阅兵指挥部专门有气象保障中心肩负着国庆阅兵气象保障的重任。“保障什么？就是要准确地反映和预报气象状况。”李黄介绍，大气是流体，流体要遵从其运动规律，有描述其状态的运动与热理方程，把所有的状态写成方程，形成一个复杂的偏微分方程组后，就可以计算未来的变化——未来的流场、温度场、气压场等等，再根据其相变过程就可以预测未来的气候状况。这叫数值天气预报，实际上模拟了大气演变的过程，这就要求计算机运算速度超过大气演变的速度。所以，气象计算必须使用高性能的巨型计算机。
计算机群
1999年朱溶基总理访美。期间，双方就巨型计算机贸易问题产生了分歧，美方拒绝向中国出口IBM巨型计算机，理由是中国对美国贸易顺差。总理说，气象关系到人民的生命财产安全，也关系到人权……为什么会顺差？因为你美国不卖给中国机器。经过一年的努力，这件事才得到妥善的解决——2000年，IBM SP并行计算机（800亿次/秒）在气象局安家落户。
在气象局安家落户的还有国产曙光机（36亿次/秒）、银河Ⅲ（180亿次/秒）、总参的神威机（3840亿次/秒），这些高性能的计算机主要用来对数据进行加工、计算、分析。除了人们常见的大型、巨型机，气象局还有大量应用于通讯、存储的计算机。
李黄介绍，气象行业的计算机应用有几个特点：第一，由于气象工作涉及大量的数据处理，计算机量相当惊人，所以需要高性能计算机来处理问题。鉴于计算机在气象领域重要的地位和作用，世界各国总是把气象部门作为巨型计算机最新成就的优先用户——最早的计算机主要用于军事和气象部门。
改革开放20年以来，气象局5次较大规模的计算机系统建设带来了数值预报业务系统的5次腾飞：1978年11月，气象局引进了一台每秒百万次运算能力的，当时速度最快的进口计算机M—170，从此开创了中国建立数值预报的历史；1989年、1991年，经美国总统特批，美国CDC公司的CYBER962（1480万次/秒）、CYBER992（3460万次/秒）计算机先后到货安装，为中期数值预报业务系统的建立提供了条件；1993年8月，国产银河巨型机（4亿次/秒）在气象局安装成功，从此结束了中国气象部门没有亿次巨型机的历史；1994年10月，气象局首次引进美国CRAY公司的CRAYC92巨型计算机，为新一代中期数值天气预报业务系统的建立可靠运行奠定了基础——1997年6月，T106L19中期数值预报业务系统建成并投入运行，预报时效延长到10天；2001年，气象局构成了由国产曙光、银河、神威以及引进的IBM SP并行计算机等组成的国内最大的多机型异构并行计算环境，为“中国气象21世纪全面赶超国际水平奠定了坚实的基础”。
第二，计算机需要有很高的计算能力。传统的向量机到百亿浮点计算就不太行了，所以，气象局很早就开始组织队伍解决并行的算法——并行化处理是当今世界巨型机发展的方向。并行的算法实际上是把问题分解成很多问题同时计算，如果不能把问题分解成很多问题，由很多机器同时计算，有了并行计算机也无法用。不过，把问题分解为并行算法也不是一件很容易的事情，所以，气象局投入了很大的力量。现在，国内的并行机一问世，就拿气象局的题做实验。
第三，只有计算机，没有软件，这个机器是一堆费铁。所以，神威机、银河机的研制部门都与气象局有着很好的合作关系，这对于推动国内巨型计算机的应用意义重大。2001年2月24日，神威机结合气象局的数值预报系统通过验收，并投入业务使用。
第四，气象局计算机中心始终处于开放状态。气象局是公益部门，气象局的计算机不光要为气象服务，还要免费对社会开放。所以，国家把国家级的北京高性能计算机应用中心放在气象局，以推进高性能计算机在社会上的应用。
第五，气象局的计算机分布结构呈“金字塔式”，总部计算机中心以巨型、大型机为主，区域中心有相应的小型机，省以下主要是工作站、微机，自上而下，形成一个计算机机群，各个层次分别处理数据信息。
采集“沙尘暴”
2001年3月1日，也就是气象局沙尘暴监测、预警、服务系统开始运行的第一天，前方各地气象站以及风云一号、风云二号气象卫星发回大量的图片、数据、文字信息，计算、分析后，气象专家惊讶地发现，一场大范围的沙尘暴将波及中国北方的大部分地区，包括北京部分地区。之后的几天内，中国北部尘土飞扬。
3月1日当晚7点30分，中央气象台通过电视屏幕发布了沙尘暴预报。在电视屏幕上，人们第一次看到了四个从未见过的“沙尘暴符号”，分别表示浮尘（能见度小于10公里）、扬沙（能见度1公里~10公里）、沙尘暴（能见度小于1公里）。“我们现在预报沙尘暴的准确度可以达到60%~70%，这是整个气象系统6万多人共同努力的结果。”李黄说，气象部门能够准确地预报沙尘暴，气象综合探测系统起了关键的作用：各地的气象站监测当地的各种天气变化，比如气温、气压、风力、风向、湿度等等，包括是否有起沙过程。一刮风，一起沙，卫星就“抓”到了，根据“抓”住的图象，综合其他监测的各项数据、信息，就可以计算、预测沙尘移动的方向，可能会波及的范围。
沙尘暴如此，其他气象也是如此。整个气象部门的业务系统就是一个信息系统，由信息采集、信息传输、信息处理和信息分发四大功能块组成，李黄认为，一般“系统”的概念对信息采集并不重视，实际上一个信息系统是否有生命力，关键在于信息的采集，其次才是传输和处理。
自然界的信息有文字信息、数字信息、图片信息、声音信息，如果准确地预报气象，必须要尽可能多地、准确及时地掌握这些信息，所以，在信息采集环节比较重要的是信息的数字化和信息的采集手段：气象信息必须有科学的手段，温度、气压、温度、湿度、气象云图等气象信息都要通过数字化的方式表达出来，然后才能进行计算处理；现在，气象部门动用了所有最新的信息探测手段，比如卫星、雷达、自动站，还有其他先进的仪器设备。
目前，气象局有2640个气象站，还有120个高空观测站。过去，气象主要采用人工观测，气象站的工作人员看温度计、百叶窗、气压计，看云识天气，将各种自然界的信息记录下来以后就写成数字电码进行传输。这种办法一直沿用到现在，大部分气象站都是人工观测，只不过仪器设备和探测手段比从前先进了许多。同时，由计算机控制的自动观测站正在走入气象历史舞台——自动观测站的优点是消减了人工观测的误差，比如观测温度，反映温度变化的是热敏电阻，根据热敏电阻的变化就可以准确地记录温度，结果直接传输到计算机中，由计算机进行下一步的处理。据说，现在全球的气象部门风行自动站。
但是，从发展的趋势看，气象信息采集最主要的手段还是卫星、雷达，大气观测的技术趋势是从人工向自动化、遥感发展，由地面观测向空中发展。卫星是信息技术的重要产品，之所以倍受气象青睐，有两个原因：一是探测功能，卫星是“天眼”，它可以在几万、几百公里的高空采集地球的信息，其视野的广阔远非其他观测工具所比拟；第二，卫星技术本身就是一个先进的通讯手段。中国已经发射了5颗气象卫星，据说今年还要发射。
卫星上最基本的仪器是辐射器，可以接受地面发射的光，不同的东西，比如云团、森林、沙漠、土壤、海洋等发射的光谱各不相同，辐射器传感器可以接受光谱，并根据光谱的强弱形成图象信息。卫星上还有数字化摄象机，但是人们见到的卫星图象都不是由摄象机拍照的，因为气象卫星距离地球36000公里，视野极小，分辨到1公里就无法分辨了，必须要找很大的镜头才能拍照。可是，卫星摄象机的镜头很小，只能一点一点地扫描，东西南北扫描以后由扫描辐射机把很多图象拼在一起，最后形成一个完整、高清晰度的图象（象限可达2048*2048），所以一张卫星图象的信息量非常巨大。卫星图象不但空间分辨率高，时间分辨率也很高，卫星图片始终处于运动状态。因为卫星仪器随时随地都在工作，可以监测24小时气象的任何变化，这样，气象部门既可以动态、准确地掌握气象状况，还可以利用数字技术繁衍气象形态。“卫星的飞行范围不受国界限制。我们可以收集全世界的气象信息。”李黄说话间打开了一个卫星图片，图片显示为美国西海岸地区。图上有三条雾线，李黄估计是美国喷气式飞机划过的尾线。
与卫星相比，雷达的收集面比较小，只有几百公里，但是应用却相当广泛。李黄透露，气象局有一个全国的雷达布网计划，全部采用第三代雷达。第一代雷达是模拟雷达，物体通过大气的回波，用电信号产生以后可以拍成图片；第二代可以把模拟信息数字化；第三代雷达也称作“多普勒雷达”，可以利用运动物体频率的变化测定云、雨、龙卷风、沙尘暴移动的速度。据悉，雷达布网计划需要5~8年完成。
“9210”
“天气变化非常快，气象信息的收集必须非常迅速，今天预报，昨天、前天的信息肯定不行，所以，气象部门需要有一个大容量、高效率、快速度的，专用的网络系统来传输信息。”
气象行业对于信息的传输一直是这样要求。1956年之前，中国没有专用气象线路，采用无线摩尔斯组网，这在当时也算是比较先进的技术。抗美援朝的时候，气象小组跟随部队出征，因为军事上气象信息需要保密，技术上需要加密，所以每个气象小组不但有摇机员、电报员，还有密码译电员。一到朝鲜战场，大家先在一起对频率，对好频率就悄悄地出发，分散到各地，然后开始联络，然后轮流发报——几点几分，该谁发报都有规划，以免互相干扰。气象信息转到军事指挥部，供指挥部参考，比如，朝鲜半岛的天气适合飞机轰炸，指挥部就会派飞机轰炸敌人的军事目标。
1956年10月，北京-沈阳第一条气象专用有线电路正式开通，气象通信从摩尔斯转为电传通信，进入半自动化工作状态。
1972年，世界气象组织（WMO）恢复中国的合法席位，1973年，WMO第25届执委会通过将北京列为全球电信系统（GTS）亚洲区域通信枢纽，当年7月，周恩来总理亲自批准建设现代化的北京气象通信枢纽工程（BQS），1974年，国家计委将BQS正式列入国家重点建设项目。经过6年的艰苦努力，BQS系统于1980年1月投入业务使用，自此，气象通信实现了计算机自动化。此后，气象局开始布网。与业务结构相适应，气象局的网络结构也是“金字塔式”，中国电信的骨干网连接了气象局计算机中心和500多个大站，其他2000多个省、地、县的小站由无线通讯网连接。
“9210”被认为是第三代天地一体化信息网络系统，其基本支撑是卫星通讯。1992年10月，“八五”国家重点建设项目“气象卫星综合应用业务系统”批准立项，对外称为“9210”。“9210”的基本思路和1993年的“金网工程”一样，但是当时没有“金”字号工程。后来有了“金关”、“金卡”、“金税”，气象局就把“9210”称为“金气工程”。“9210”1998年基本结束，2000年年初验收，历时8年，工程的浩大可想而知。“9210”的信息吞吐能力比从前提高40倍以上。
1998年南方地区洪水泛滥，很多地方的地面地线都断了，气象部门就启用刚刚结束的“9210”——卫星通讯不但可以克服地形、地貌、气候的条件，还可以克服传输“瓶颈”，既可以传数据，也可以传声音、图片。
“为什么叫天地一体化？天上卫星，地上网络，中国电信的公共信道。万一天上出问题了，地上可以替代完成。这是一个立体网络系统。”李黄特别提到上行下行带宽：“这个网络下行最大可达到2M，上行的基本带宽是128K，现在要逐渐扩展，目标是2M。地面系统64K，将来也要用2M的高速宽带系统，这是我们的下一步目标。”李黄称，同类系统中，气象局的网最复杂。此外，气象局还较早地认识到，气象信息的传播是典型的非对称信息，各地收集的信息相对较少，上行的信息量就比较少，可是信息集中整理以后，下行的信息量就特别大。过去，气象局的电路都是对称电路，上下带宽一样，这样，上行太宽裕，下行太“丰满”，严重影响了传输的效率。现在，气象局的非对称电路采用双向通道和单向“广播”（卫星接受装置，带宽2M）相结合的办法，大量的信息“广播”下去，特别重要的信息双向调用。
虚拟现实
飞沙走石，狂风呼啸；乌云压城，山崩海啸……这种宏大的场面是大片中经常见到的情景。若干年以后，这是中央气象台气象预报常用的表现手法。
这些场面可不是现场拍摄或者特技制作的，而是由计算机对大量的信息、数据进行加工，并通过计算机图形技术模拟合成，或者说是对大气物理过程的动态模拟。
这是气象的可视化和虚拟现实的业务化。李黄解释说，可视化就是把综合探测获得的数据资料和数值预报计算过程中大量抽象的数据通过计算机技术转化为人们视觉可以直接感受的图象、图形，帮助气象预报员更加形象准确地预报天气。这是未来气象预报的发展趋势。
李黄一边解释一边打开了一张来自国外的火山爆发的图片（动态），“你看这个火苗，它由数字集构成，横切一刀，它会显示各种状态参数。这就是虚拟现实，悉尼奥运会期间的气象预报就用了可视虚拟现实。我们现在正在加紧做这件事。”
实际上，仅技术而言，气象局已经完全可是实现气象预报的虚拟现实，可是为什么没有这样做呢？李黄说，技术投入到具体业务运用很复杂，涉及到人力、物力、财力的巨大投入以及流程的设计、规范，如果基础条件不成熟，一两天没有问题，每天都坚持虚拟现实预报根本不可能。李黄表示，3~5年以后，中国有可能实现气象预报的虚拟现实。
申 奥
奥运会期间，北京日平均气温24.5~26.1℃，平均最高气温30.8℃，降水日数平均为6天；可以提供全球、全国、北京范围的半小时至10天以上的“全程连续滚动（无缝隙）”天气预报；可提供《奥运气象服务手册》；间隔1小时的温、压、湿、风、降水、雷电等预报；比赛场地的气象专家现场服务；气象信息服务终端和多国语言的奥运气象服务网站……
这是气象局提交给国际奥委会评估团的一份材料中的信息。评估团非常关注北京的特殊天气，2月23日，评估团来到气象局，特地问及降水、冰雹、台风对奥运会的影响。著名气象专家、中国工程院院士陈联寿在向评估团做《2008年奥运会气象预报服务和保障》的称述报告中指出：奥运会期间（7月25~8月10日），北京虽然降水较多于其他季节，但是连续降水的日数并不多，期间北京的气候条件是适于户外运动的。
评估团的一位成员问陈联寿：“你们能进行人工消雨吗？”陈联寿给予了肯定的答复，他说：“我们曾经作过人工影响降雨的实验并取得了一定的成效。目前我们已经积累了一些人工影响天气的技术和经验，如人工消雹、人工消雾、人工消（增）雨等。如果需要，我们可以在某些云团中做人工影响试验，以减轻它移入北京后的降雨影响。”评估团对陈院士的称述报告和回答表示满意，主席海因-维尔布鲁根竖起大拇指说：“这是一个非常好的报告……气象保障是非常重要的一方面。”
随后，评估团仔细考察了气象局的计算机与网络设施、技术水平，认真听取有关人员对奥运会气象服务能力的介绍。后来，气象局的工作人员利用全球网络迅速预报了荷兰、澳大利亚、巴西等地区的天气预报，这些地区是一些评估团成员的家乡，他们离开家乡已经很久了。能在这里看到家乡的天气预报，他们突然间失去了奥运官员的严肃、矜持、温文尔雅，异常激动地涌了上来。